刚发Cell，又登Science！张锋团队连日重磅论文，两大领域迎来突破

学术 2024-08-30 08:02 上海

▎药明康德内容团队编辑

昨天刚发Cell，今天又一篇Science论文上线。CRISPR基因编辑先驱之一、Broad研究所和MIT麦戈文脑科学研究所的张锋教授成为本周生命科学领域的焦点人物。

在两项不同领域的研究中，张锋团队先后解析了真核基因编辑系统Fanzor的结构、发现细菌用一种颠覆认知的基因编码方式抵抗噬菌体的机制。这两篇论文讲了什么，对生命科学领域将带来怎样的影响？在这篇文章中，我们将为大家解析这两项进展的核心内容。

▲张锋教授（图片来源：张锋实验室主页/MIT麦戈文脑科学研究所）

真核生物的“CRISPR”——Fanzor蛋白结构

第一篇发表于Cell的论文，要从张锋团队去年的一篇Nature重磅论文说起。我们知道，革命性的基因编辑系统CRISPR/Cas源于古菌和细菌的免疫系统。除了CRISPR，自然界里还有哪些可编程的RNA系统？

2023年，张锋团队发表了又一项重要突破，他们首次在真核生物中发现了可编程的RNA引导系统，这个真核生物的“CRSIPR”就是Fanzor（Fz）蛋白。

作为一种在真核生物中广泛存在的核酸内切酶，Fanzor蛋白可以在RNA指引下，使用邻近的非编码RNA（ωRNA）靶向剪切DNA的特定位点。由于Fanzor蛋白可通过系统编辑、引入突变组合来大幅提高活性，并且其在剪切目标DNA时不会波及邻近DNA、导致不必要的编辑，因此Fanzor具有成为高效基因编辑工具的潜力。

▲Fanzor蛋白冷冻电镜结构（图片来源：张锋实验室）

要想进一步改造、优化Fanzor，以提升其基因编辑的效率与准确性，掌握Fanzor的结构是重要前提。在发表于Cell的最新研究中，张锋团队就对3种不同真核生物的Fanzor结构进行了冷冻电镜解析。

这3种Fanzor蛋白分别是：来自藻类Guillardia theta的GtFz1、来自真菌Spizellomyces punctatus的SpuFz1，以及寄生真菌Parasitella parasitica的PpFz1。需要指出的是，Fanzor蛋白分为Fz1和Fz2两个家族，而最新研究解析的3种蛋白都属于Fz1——它们体积要大得多，也可能有着独特的功能与作用机制。

▲3种生物的Fanzor蛋白结构示意图（图片来源：参考资料[1]）

在获得了不同构象状态的13个Fz1结构后，研究团队从这些结构中发现了它们在与ωRNA和DNA识别方面的保守与独特之处。

具体来说，3个物种的Fz1复合物结构基本相似，并且虽然不同物种的ωRNA长度差异很大，但这3种Fz1有着相似的ωRNA相互作用界面、在关键的ωRNA区域共享折叠模式。这种一致性表明不同Fz1蛋白之间存在保守的RNA引导的DNA靶向机制。

但与此同时，这3种蛋白之间也有着不同的结构特征，突出了Fanzor蛋白家族内的多样性。

一个例子就是来自藻类的GtFz1，它的催化三联体中有一个独特的N残基。与SpuFz1相同位置经典的D残基相比，GtFz1的N残基增强了蛋白的DNA切割活性。此外，寄生真菌的PpFz1有着独特的FRI结构域，这种结构域表明Fz1蛋白可能在寄生真菌的寄生关系中起到重要作用，通过促进转座子介导的基因转移实现对真菌的寄生。

▲GtFz1的结构特征（图片来源：参考资料[1]）

同时，Fanzor蛋白的DNA识别、切割机制也有了新发现。尽管Fanzor和Cas12都是从TnpB家族进化而来的，但两者的DNA识别、切割机制存在明显差异。研究团队发现，Fz1中额外的REC结构域结构对加载到RuvC结构域上的靶DNA的R-loop稳定有贡献。REC结构域对DNA解旋机制和R-loop调控的适应，可能对Fanzor蛋白在真核细胞复杂染色质环境中的功能至关重要。

总之，这些研究揭示了Fanzor蛋白的作用机制、加深了对这类蛋白的理解，也为开发更强大的基因编辑工具奠定了基础。

基因编码新发现：细菌的“保命”机制

而在今天凌晨刚刚上线的一篇Science论文中，张锋团队则是挑战了教科书对蛋白质编码基因的传统定义。

在传统观念里，蛋白质编码基因需要沿着DNA序列线性编码。但张锋团队的最新研究以及本月早先时间的另一篇Science论文（通讯作者为哥伦比亚大学Samuel Sternberg教授）共同发现，一些细菌的抗噬菌体蛋白并非通过这种传统方式得到编码。在这些细菌中，DNA首先被转录为非编码RNA，随后通过滚环逆转录反应转换回DNA。接下来，这些新生成的DNA再被转录为编码蛋白的mRNA，生成阻止噬菌体感染的蛋白。

利用RNA模板合成DNA的逆转录酶广泛存在于各种生命领域中。在细菌中，逆转录酶在抗噬菌体防御系统中十分重要，这种防御系统通过逆转录机制，帮助细菌抵御噬菌体感染。

在最新研究中，张锋团队关注的肺炎克雷伯菌有一种含有逆转录酶的防御系统，名为DRT2。这一系统在噬菌体感染期间能够阻止细菌生长，从而阻止噬菌体复制。DRT2系统仅包含逆转录酶和非编码RNA（ncRNA），没有其他已知的蛋白质结构域或因子。那么，这一简约的系统是如何识别感染并导致细菌生长停滞的呢？

▲DRT2核糖核蛋白复合物结构（图片来源：参考资料[2]）

研究发现，DRT2系统编码了另一种蛋白质，但这个过程依赖于一系列出人意料的复杂事件。首先，逆转录酶利用ncRNA中的约120个碱基序列作为模板来生成互补DNA，但它们不会在一次逆转录后停止，而是跳回到120个碱基序列的起点，就像在循环播放一首歌一样，继续“滚环”反应。

通过这个过程，可以生成包含多个重复模板序列的长互补DNA拷贝。这些重复的DNA序列包含细菌σ70启动子的两个序列基序。通过将连续DNA中的重复片段首尾相连，细菌从两个分离的片段组装出一个有效的启动子，从而驱动mRNA的转录。这个mRNA进一步编码一种被命名为Neo的蛋白质，该蛋白质的独特之处在于其开放阅读框（ORF）几乎没有终止密码子，因此可以生成非常长的蛋白质。

DRT2系统通过产生这种Neo蛋白质来阻止噬菌体感染。感染发生时，DRT2系统会启动第二条互补DNA链的合成，这一过程触发了Neo蛋白质的生产，Neo蛋白质迅速抑制细菌生长，从而阻止噬菌体利用宿主细胞资源进行复制。

尽管目前尚不清楚DRT2如何感知噬菌体的存在，以及如何启动第二条DNA链的合成，但张锋团队的这一发现揭示了逆转录酶在细菌防御系统中的独特作用。这些新发现不仅丰富了我们对细菌防御机制的理解，也为基因编辑和生物技术应用提供了新的可能性。

附：张锋教授近年顶刊成果回顾

1. 发现188个新型CRISPR系统

在2023年的一篇《科学》论文中，张锋合作团队借助其开发的全新算法，从数十亿个蛋白质序列中发现了188个此前未知的新型CRISPR相关系统，并且可能将CRISPR系统的类型拓展至7大类。这一发现进一步证实CRISPR系统的多样性，并且有望带来新型基因编辑工具。

2. 全新蛋白质递送系统诞生

张锋团队在2023年的一项《自然》研究中，以一些细菌天然具有的注射结构“胞外可收缩注射系统”（eCIS）为灵感，开发了一种全新的蛋白质递送系统，利用细菌“注射器”，将蛋白质注射到人类细胞中。这项技术未来有望在基因疗法、癌症治疗等一系列领域发挥作用。

3. 可编程的DNA修饰系统OMEGA

2021年，张锋团队一个月内在《科学》杂志连续发表两篇基因编辑领域的重要突破。在其中一项研究中，团队在细菌中鉴定出一类新的核酸酶，它们由转座子编码的RNA引导到目标位置切割DNA。经过设计，这些核酸酶可以用于在人类细胞中编辑基因。研究团队将这套可编程的DNA修饰系统命名OMEGA。这项突破有望推动基因组编辑技术的下一次革命。

4. 全新的mRNA递送技术

在另一篇《科学》论文中，张锋团队筛选出自带RNA运输功能的PEG10蛋白，其有潜力被改造成运输RNA分子的工具。以PEG10为核心，研究人员们进一步开发了一种叫做SEND的系统，全名是“选择性内源性衣壳化的细胞递送”系统。这项全新的mRNA递送技术，有望给基因疗法领域带来颠覆性的变革。

5. 新一代RNA单碱基编辑工具

在2019年的一篇《科学》论文中，张锋团队介绍了基于CRISPR系统开发出的一种新型RNA编辑工具。在2017年开发的“REPAIR”系统的基础上，张锋团队通过酶进化的方法，使“REPAIR”系统的关键酶ADAR2具有全新的功能——将胞嘧啶（C）转化为尿嘧啶（U），并且减少了脱靶效应。这项技术能以前所未有的方式，对RNA进行单碱基的编辑。

6. 利用“跳跃基因”精确插入DNA片段

在2019年的另一篇《科学》论文中，张锋团队来了一款全新的CRISPR基因编辑工具，利用“跳跃基因”，让DNA片段插入基因组变得更加容易。大肠杆菌中的实验结果显示成功率达到80%，远高于经典CRISPR系统。通过“改正”的DNA序列来取代含有致病突变的序列，这项技术将为治疗某些遗传疾病提供极大的帮助。

参考资料：

[1] Xu et al., Structural insights into the diversity and DNA cleavage mechanism of Fanzor, Cell (2024), https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.07.050

[2] Wilkinson et al., Phage-triggered reverse transcription assembles a toxic repetitive gene from a non-coding RNA, Science (2024), DOI: 10.1126/science.adq3977

[3] Osterman et al., Tricking a phage with reverse transcription, Science (2024), DOI: 10.1126/science.ads3638

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